脱硫塔内气固流场数值模拟-稠密颗粒动理学方法.pdf

第 3 2卷第 2期 2 0 1 2年 4月 东北电力大学学报 J o u r n a l Of N o r t h e a s t D ia n li U n iv e r s it y V0 1 3 2 N o 2 Ap r ， 2 01 2 文章编号 ： 1 0 0 52 9 9 2 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 0 3 8 0 5 脱硫塔 内气 固流场数值模拟 一稠密颗粒 动理 学方法 郑建祥 ， 吕 太 ( 东北电力大学 能源与动力工程学院， 吉林 吉林 1 3 2 0 1 2 ) 摘 要： 采用大涡模拟和稠密颗粒动理学模型， 建立脱硫塔内气固两相双流体模型。数值模拟获 得脱硫塔内喷动流化的喷射区、 环隙区和喷泉区内颗粒速度和浓度分布。模拟结果表明提高喷 口速度 有助于喷动床内稳定流化。 关键词： 脱硫塔； 稠密颗粒动理学； 数值模拟 中图分类号i T K2 3 3 文献标识码： A 循环流化床烟气脱硫技术， 具有造价低、 脱硫效率适中、 适合机组改造、 用水量少， 不产生二次废水 等优点， 已经成为我国优先推广使用的烟气脱硫技术之一。该技术存在脱硫剂利用率低， 脱硫塔体负荷 适应性不强的缺点 。采用 内循环喷动流化可以有效解决上述问题 J 。因此 ， 喷动床内高浓度气固两 相流动行为的研究愈显重要。尽管国内外对喷动床 内气 固两相运动进行 了大量实验研究 ， 并取得了一 定的进展 ， 但喷动床内气体和颗粒流动特性 的数值模拟研究工作却很少 I 4 J 。 本文基于颗粒动理学理论 、 引入颗粒相动力 一 摩擦应力模型， 预测喷动床内流体动力行为。模型中 采用 J o h n s o n N o t t 5 提出的摩擦应力模型考虑颗粒问滚动 一滑动摩擦产生的正应力和由 G u e n t h e r S y a m 一 la J 等 提出的摩擦剪切粘度模型考虑颗粒间滚动 一滑动摩擦产生的切应力 ， 研究喷动床内颗粒间相互 作用对气固两相宏观流动特性的影响。数值模拟喷动床内气固流动特性。模拟结果可对脱硫塔结构的 ， 优化设计提供参考。 1 数学模型 连续性方程( k=g时为气相 ， k=s 时为颗粒相 ) 杀 ( s ) + ( 占 ) = 0 ， 其中，P 为 k 相密度； 表示相体积浓度； 为相速度； t 为时间。 气相动量守恒方程 击 ( s g v g ) + ( 占 v g v g ) ： 一 + 占 g + 一 ( ) ， ( 2 ) 收稿 日期 I 2 0 1 ll11 4 基金项 目： 吉林省科技 发展计划项 目( 2 0 1 1 0 1 1 0 9 ) 作者简介： 郑建祥( 1 9 7 7 一) ， 男， 福建省建瓯市人， 东北电力大学能源与动力工程学院副教授 ， 博士， 主要研究方向： 气固两相流动 第2 期 郑建祥等： 脱硫塔 内气固流场数值模拟一稠密颗粒动理学方法 3 9 其中， 为气相压力； g为重力加速度； 卢为气固相间曳力系数 ； 为气相应力张量。 其中气相应力张量 为 7 _ = 【 Vv +( ) 】 - ( 。 V g ) ， ( 3 ) IX g= - I, g ， 1 + ， ( 4 ) 其中： 。 为气体层流动力粘度； 为气体湍流动力粘度。 假定气体不可压缩， 密度为常量。 气相湍流采 用大涡模拟方法， 即对气相大尺度涡直接求解N S 方程， 而小尺度涡通过建立S G S 湍流模型求解， 气相 动力粘性系数 一c 鬻 ( + ) r ， A =( A x z a y A z ) ， ( 6 ) 其中： C 是 S m a g o r in s k y 常数， 取值为 0 1 ； 为网格空间尺度； 、 为对应的网格坐标分量。 固相动量方程 ( 占 )+ ( 6 s p )=一s 。 J P g+8 s p g+ 。 。+ 3( v g一 )， ( 7 ) d 假设颗粒应力张量 为动力应力张量 r 和滚动 一滑动摩擦应力张量 r ， 之和， 即 r =下 + ， ， ( 8 ) 采 用 G u e n t h e r S y a mla l等 提出的滚动 一滑动摩擦切应力模型， 和滚动 一滑动摩擦剪切粘度 i。 之和 ， 即 1 , 。= i + i 。 可表示为 = p , d g + 1+ 圳 + F ， = 兰 竺 一 ， ( 9 ) ( 一 ) 吉 ( D 。 一 D ) + ( D 。) + ( D ) + ( D 。 + D 21 ) 其中： d 为颗粒直径； e 为颗粒弹性恢复系数； g 。 为径向分布函数； D为应变率； 和 分别为填充颗 粒浓度和临界颗粒浓度 ； n和 P分别为与颗粒材料物性有关的经验系数 ； 为内摩擦角 ， 对于玻璃珠颗粒 参数 n 、 P和分别为 2 0 、 5 0和 2 8 5 。 。 颗粒压力 P 表示 由于颗粒非弹性碰撞等相互作用产生 的正应力 。 在高颗粒浓度下颗粒压力除了考 虑颗粒碰撞产生的动力应力外， 还需要考虑颗粒滚动 一滑动磨擦作用的贡献。 动力应力分量由颗粒动 理学确定 ， 颗粒间滚动 一滑动磨擦产生的正应力按J o h n s o n N o t t 5 提出的滚动 一滑动摩擦应力模型计 算。 则颗粒压力可表示为 P = 1+ 2 g 0 ( t+e ) 6 sp 0+ -r ( 占 一 m i n ) ( 8 s , 一 一 ) ( 1 0 ) 其 中： n 为与颗粒材料物性有关的经验系数。 对于玻璃珠颗粒参数 n 为 0 0 5 。 方程( 8 )和 ( 9 )中为颗粒温度 ， 定义为 0=C 3 ， 其 中， c 为颗粒脉动速度 。 颗粒温度可按 固相脉动 能量守恒方程确定为 寺 【 杀 ( sP ) + ( P 0 v ) j = X 7 ( ) 一 一 3 ， ( 1 1 ) 其 中： k 为固相脉动能量传递系数 ； 为颗粒碰撞能量耗散率。 颗粒碰撞能量耗散率 ： 东北电力大学学报 第 3 2卷 3 ( 1 _ e 丢 一 了1 O U , + ， 固相脉动能量传递系数 ： 1 + ( 1+ n 2 2 ( 1+ e ) ， 其 中： g 。 径 向分布函数按下式计算 ： ： 1一( 旦 ) - 1 ， 占 m8 x 相间动量交换系数 按下式计算 ： 卢 = I E +( 1一 ) 卢l W e n & ， - l5 0 + 1 75 l Ug一 0 8 占 1 w = 3Dd 占 g 6s p I 一 I -2 6 5 g 0 8 ： r ct n ( )+0 5， c ：j- ( + o 5 R e 0 _6 ) R e o o o ， 【 0 4 4 Re 1 0 0 0 其中： R e 为雷诺数， R e=a t , l U 一 l 。 2 进 出 口边界及初始条件 ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 给定入 口处压力 ， 出口处压力梯度取为零。 入 口处 ， 各相速度给定。 床 内各相初始速度设为零 。 壁面边界条件对气相 ， 壁面采用无滑移边界条件。 壁面处颗粒速度和颗粒温度采用下列方程 ： 州 k 尚小 咖 + 缘 o ， n ( ) = ：兰 j !学一 1r P 0。 ( 1 一 e2 ) 4 1 一 ( ) 其中 ： n为从边界指 向颗粒群的单位法向量 ； 为材料摩擦角 ； 为镜面 反射系数； 模拟中取为 0 5 ； e 为壁面弹性恢复系数 ； 为颗粒的滑移速 度 ， 即颗粒群速度与壁面速度之差 = 一 。 图 1表 示模 拟 来 源 于 何 玉 荣 模 拟 数 据 。内径 1 5 2 m m，高 1 1 4 0 mm， 堆积床料高 3 3 0 ram。 颗粒直径和颗粒密度分别为 1 0 mm和 1 2 0 0 k g m。 。颗粒间及颗粒与壁面间弹性碰撞恢复系数均取为 0 5 。 计 算总时间为 3 0 s ， 最后2 5 S 作为时间平均值的计算样本。 ( 2 0 ) ( 2 1 ) 图 1 喷动床计算模型的几何结构 、，、， 、 5 6 7 8 9 l 1 1 1 1 LL 第 2期 郑建祥等 ： 脱硫塔 内气固流场数值模拟一稠 密颗粒动理学方法 41 3 模拟结果及讨论 图2表示人 口速度为 =1 5 m s 下不同时刻瞬时浓度 图。 由图可见 ， 在喷射区 内， 颗粒浓度低 ； 在环 隙区 内， 颗粒浓度 高。 在喷射区内， 气体夹带颗粒和向上流动 ， 到达喷射 出口， 由 于中间喷射气流速度很高， 因此从喷射区喷出得颗粒和被气 体扬析出去， 分布于床中上部区形成典型的喷泉区。 在喷射区 上方气速降低 ， 加之重力 的因素 ， 颗粒和返 回床 面， 并沿着环 隙区向下流动 ， 再渗透至喷射 区被气体重新携带向上流动 ， 从 而形成有规律的内循环流动。 t = 5 S1 0s 1 5s 2 0 s 2 5 S 图 2 不 同时刻浓度图 图3 表示入口气体速度为1 5 m s 时不同高度时均颗粒浓度分布。 由图可见， 无因次半径x D=0 处 表示喷动床中心位置 ， x D =一0 5表示壁面区域。 中心区域浓度最低 ， 在壁面处 由于颗粒 回流作用使得 时均颗粒浓度又增大。 随着高度 的提高 ， 浓度整体变小。 图3 不同高度颗粒浓度分布 图 4分别表示不同进 口速度对颗粒浓度影响。 层膨胀较高， 颗粒流动更加均匀。 4 结 论 图 4 不 同喷动速度下径 向颗粒浓度分布 由于速度增加 ， 从喷射区渗透到环隙区气体增多 ， 床 考虑高浓度颗粒间的滚动 一滑动磨擦作用 ， 应用颗粒动力学模型建立颗粒相稠密颗粒动理学模型 模拟颗粒相流动 ， 采用应用大涡模拟研究气相流动 ， 对脱硫塔喷动颗粒流化过程进行 了数值模拟， 得到 了喷动床内颗粒的流化过程。模拟计算结果表明， 喷动床流化形成典型的环隙区， 喷射区， 喷泉区流动 状态。适 当的进 口速度有助于形成稳定 喷动。 参考文献 1 董勇 烟气脱硫循环流化床内物料分离循 环的研究 D 哈尔滨 ： 哈尔滨工业 大学 ， 2 0 0 4 2 2 J o s e f a F， J o s e L R， H i p o G， e t a1 D e v e l o p m e n t o f S o r b e n t s f o r S 0 2 C a p t u r e P r e p a r e d b y Hy d r a t i o n o f F l y A s h a n d H y d r a t e d L i m e i n S e a w a t e r J I n d E n g C h e m R e s 2 0 0 6 ( 4 5) ： 8 5 68 6 2 3 X u C ， Z h u J E x p e rim e n t a l a n d T h e o r e t i cal S t u d y o n t h e A g g l o m e r a t i o n A ris i n g f r o m F l u i d i z a t i o n o f C o h e s i v e P a t t i cl e s e f e ct s of M e ch a n i ca l 21 8 6 4 2 9 7 5 3 1 9 7 5 3 1 8 64 2 51 7 3 8 4 O e 2 7 3 9 5 1 e 2 8 4 1 3 4 6 7 9 1 2 4 5 7 8 0 2 3 5 6 8 3 6鲁 2 5 8 2 5 B 1 4 71 4 7 0 3 6 5 2 6 4 ，8 6 3 O 8 5 2 0 4 2 9 6 4 5 5 4 4 4 4 3 3 3 3 2 2 2 2 1 1 1 0 O 0 O O O O O 0 O 0 O O O O O 0 O O O O O 0 蕊口吲 网幽_ 8 I 。 一 首 口 0茸0 I 葛i口 0U 晌 Q I。 墨 葛叠 0 a 0 l 曼 口 0 U 42 东北 电力大学学报 第 3 2卷 V ib r a t i o n J C h e mi ca l E n g in e e r i n g S ci e n ce ， 2 0 0 5 ， 6 0： 6 5 2 96 5 4 1 ， 陆慧林， 刘文铁， 刘欢鹏， 刘鹏 流化床内超细颗粒的流动 J ， 工程热物理学报 ，2 0 0 3 ， 2 4 ( 3 ) ： 5 3 45 3 6 J 0 h n s 0 n P c ， N o t t P， J a ck s o nR， F r i ct io n a lI c0 l l i s i o n al E q u a t i o n s o f M o t i o nf o r P a r t i cu l a t e F l o w s a n dT h e i r A p p l i ca t i 0 nt 0 C h u t e s J J F I u id Me ch ， 1 9 9 0， 2 1 0： 5 015 3 5 Gu e n t h e r C， S y a mla l M ， 1 1 1 e E ff e ct o f Nu me r ical Diff u s io n o n S imu la t io n o f I s o la t e d Bu b b le s in A Ga s s o l i d F 1 u i d i z e d B e d J P o w d e r T e ch n o lo g y ， 2 0 01， 1 1 6： 1 4 2 1 5 4 B a g n o l d R A E x p e ri m e n t s o n A G r a v ity f r e e D i s p e r s i o n o f L a r g e S o l i d S p h e r e s i n A N e w t o n ia n F I u i d U n d e T S h e a r f J P r o c R S o c L o n d o n， 1 9 5 4， A2 2 5： 4 9 6 3 Ko ch D L， S a n g a n i A S P a r t icle P r e s s u r e a n d Ma r g in al S t a b ilit y L imit s f o r a Ho mo g e n o u s Mo n o d is p e r s e Ga s -f lu id i z e d B e d： Kin e t ic t h e 0 w a n d n u m e r i cal s i mu l a t i o n s J J F l u i d Me ch ， 1 9 9 9 。 4 0 0： 2 2 92 6 3 何玉荣 流化床内高浓度气固两相流动特性数值模拟研究 D 3 哈尔滨： 哈尔滨工业大学 ，2 0 0 #： 4 H45 0 Nu me r ic a l S im u la t io n o f Ga s a nd So lid Flo w Be h a v io r in De s u lf ur ia t iO n To we r - De n s e Kine t ic The o r y Ap pr o a ch o f Gr a nu la r Flo w ZHENG J ia n - x ia n g LV Ta i ( E n e r g y R e s o u r ce s a n d P o w e r E n g i n e e r in g C o l le g e ， N o r t h e a s t D i a n li U n iv e r s i t y ，J il in J i l in 1 3 2 0 1 2 ) Abs t r a ct：Th e g a s a n d s o lid t wo - ph a s e fl o w mo d e l in t h e d e s u lf u r ia t io n t o we r wa s p r e s e n t